FR2491206A1 - Element de detection par voie optique - Google Patents
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Abstract
SUR UN SUBSTRAT, ON FAIT CROITRE UNE COUCHE 10 EN ALGAAS, ON ENLEVE LA MASSE FONDUE DU SUBSTRAT, ET ON DEPOSE UNE NOUVELLE MASSE FONDUE NE CONTENANT PAS D'AL, PUIS ON FAIT COMMENCER LA CROISSANCE DE LA COUCHE ACTIVE 20 EN GAAS. AU-DESSUS DE LA COUCHE 20 SE TROUVE UNE COUCHE 30 EN ALGAAS. MESURE DES TEMPERATURES ET DES PRESSIONS.
Description
La présente invention est relative à un élément de dé-
tection par voie optique destiné à détecter des grandeurs physi-
questelles que la température et la pression, qui est excité optiquement et qui émet de la photoluminescence, laquelle est une mesure de la grandeur à mesurer. Drl la littérature en matière de brevets et dan d'autres
publications techniques, il est connu d'utiliser la photolumi-
nescence dans des matières semiconductrices pour la mesure
optique,â l'aide d'une fibrede grandeurs telles que la tempéra-
ture et la pression. Dans ces dispositifs, le détecteur est éclairé par l'intermédiaire d'une fibre optique. Grâce à cet éclairement, une lumière ayant une autre longueur d'onde que
celle de la lumière d'excitation est engendrée par photolumines-
cence dans la matière. Cette lumière émise peut être analysée de différentes manières, par exemple, du point. de vue de l'intensité totale, delarépartition spectrale ou des propriétés dynamiques. Quel que soit le procédé mentionné ci-dessus qui est utilisé, il est souhaitable que la matière du détecteur ait un rendement extérieur élevé. On peut alors obtenir, dans le détecteur, un niveau de signal assez élevé et par conséquent un rapport signal/bruit assez élevé. Si l'on utilise la matière semiconductrice et s'il se produit une excitation bande-bande, celle-ci se produit au voisinage de la surface, de sorte que le rendement du détecteur est souvent limité par une recombinaison des porteurs de charge excités par l'intermédiaire des états d'énergie voisins de la surface du cristal. Ceci entraîne des
problèmes quand on doit fabriquer des détecteurs ayant un rende-
ment élevé.
Pour une matière telle que GaAs, on a mentionné que le
spectre de luminescence se modifie après un traitement thermi-
que. Cette modification résulte de la formation de nouveaux tra-
jets de recombinaison dus au changement de matière au voisinage de la surface. Dans des dispositifs de mesure dans lesquels on effectue une analyse spectrale, ce phénomène peut avoir un
effet sur la stabilité à longue échéance du dispositif de mesure.
Dans les cas o le système de mesure met en oeuvre une
analyse des propriétés dynamiques d'émission, il est souhaita-
ble que la matière dadétecttWprésente des comportements expo-
nentiels en fonction du temps, pendant l'augmentation de la luminescence et pendant le déclin de celle-ci. Si c'est le cas, on peut concevoir le système d'une manière simple, pour que la relation entre la grandeur à mesurer et le signal de mesure devienne indépendante de l'intensité d'excitation, si bien que l'on peut obtenir une compensation des instabilités des optiques à fibre et des dérives d'une diode émettrice de lumière. Dans du GaAs, ces comportements en fonction du temps ne sont pas exponentiels en général, en raison de l'effet de la recombinaison superficielle. Dans la plupart des matières
iO II-VI ayant une intensité de luminescence élevèe, on a mention-
né dans la littérature une variation non exponentielle en fonc-
tion du temps,qui est habituellement provoquée par ce que l'on
appelle des pièges dans la matière.
L'invention propose une structure à semiconducteurs, qui élimine les problèmes passés en revue ci-dessus pour la mesure de la température et de la pression par l'utilisation de détecteurs -optiques- a fibre par photoluminescence. L'élément détecteur par voie optique suivant l'invention est caractérisé en ce que la matière luminescente incluse dans le détecteur est entourée par une matière ayant une faible- absorption pour
la lumière d'excitation et pour la lumière de luminescence.
C'est ainsi que la structure consiste en une couche d'une ma-
tière semiconductrice dans laquelle a lieu une absorption et une recombinaison et qui est entourée par une matière ayant une faible absorption pour les longueurs d'onde d'excitation et pour les longueurs d'onde de luminescence. On peut effectuer la fabrication d'une telle structure par un procédé convenable de croissance de cristaux. La matière qui entoure la couche active a, de préférence, un paramètre de réseau qui coïncide aussi étroitement que possible avec celui de la couche active, de manière à limiter la recombinaison aux surfaces limites entre
les matières différentes.
Des transducteurs optiques à fibre destinés à la mesure de grandeurs telles que la température et la pressionepeuvent
être ainsi basés sur des modifications du spectre de photolumi-
nescence de matières semiconductrices provoquées par la varia-
tion de paramètres externes. On connaît un appareil de mesure de la température par voie optique à fibre comprenant un corps de matière solide photoluminescente en fonction de la
3 2 49 1209
température, ce corps étant soumis à la température à mesurer.
Une source de radiations d'excitation du corps en provoque la luminescence et des moyens optiques à fibres sont utilisés pour envoyer la radiation d'excitation au corps. Des moyens de mesure électrooptiquessont utilisés pour engendrer un signal électrique de sortie en relation avec un signal d'entrée optique et on utilise aussi des moyens optiques à fibre pour envoyer la radiation luminescente du corps à ces moyens de mesure. On peut obtenir des avantages techniques considérables à l'aide de ces systèmes transducteurs si l'on peut fabriquer des matières de détection ayant des propriétés reproductibles pour ce qui concerne l'allure du spectre. Dans des systèmes o la lumière émise est engendrée par des recombinaisons bande-bande (figure 4), le nombre de processus de recombinaison par unité de temps pendant laquelle de la lumière est émise est proportionnel à la concentration en porteurs majoritaires, c'est-à-dire dans le
cas de semiconducteurs de type Piest proportionnel à la concen-
tration NA d'accepteurs. Comme ces processus de recombinaison
"radiatifs" sont en compétition avec les processus de recombi-
naison pour lesquels l'énergie en excès des porteurs de charge
n'est pas émise sous la forme de lumière (processus "non radia-
tifs"), le rendement quantique n de la matière devient dépendant de NA. (Figure 6). L'aspect détaillé de la courbe est déterminé par les processus de recombinaison "non radiatifs"qui sont déterminés entre autres,par les défauts et par les états de
surface de la matière. On peut réaliser avantageusement la ma-
tière luminescente sous la forme d'une couche épitaxiale en GaAs produite, par exemple, par épitaxie en phase liquide. Dans
ces couches, la durée de vie des porteurs de charge est déter-
minée, entre autres, par la recombinaison aux surfaces limites
de la couche.
Il est manifeste de ce qui précède qu'il est souhaita-
ble de donner à la couche épitaxiale une valeur de N A élevée
afin d'obtenir un rendement quantique élevé.
L'aspect du spectre émis,caractérisé par la valeur énergétique hvO pour laqruelle le spectre a la valeur maxiuale,et la
largeur totale à mi-hauteur du mnaxim,&A1 (figure 7), dépendent cepen-
dant du dopage N A de la manière indiqufe à la figure 8. Les courbes s'appliquent sensiblement à la majorité des
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substances dopées et des matières semiconductrices. Ceci signi-
fie que la concentration N A en agent dopant doit avoir une
valeur faible pour faciliter la fabrication de matières de dé-
tection à spectre de luminescence reproductible.
En utilisant des structures à trois couches (figure 9),
comme proposé ci-dessus, on peut réduire considérablement cepen-
dant la recombinaison aux surfaces limites de la couche lumi-
nescente active en comparaison de ce que l'on obtient avec des
structures à couche unique, ou en matière homogène, ce qui per-
met de réaliser des structures ayant un rendement quantique élevé, mais ayant une faible teneur en agent dopant (NA). Ces structures fournissent aussi d'autres avantages techniques qui ont été passés en revue ci-dessus et qui seront discutés dans
la suite.
Lors de la réalisation pratique des structures mention-
nées ci-dessus, il s'est avéré qu'un autre facteur influence l'allure du spectre de luminescence. Après la croissance de la couche en AlxGa 1XAs la plus proche du substrat (couche lOà la
figure 9), la masse fondue est enlevée du substrat et une nou-
velle masse fondue, ne contenant pas Al, est déposée sur le substrat, ce qui fait commencer la croissance de la couche active (couche 20 à la figure 9). A cet égard, une partie de la
première masse fondue peut rester sur le substrat, ce qui signi-
fie que la couche active contiendra Ai. Le problème est rendu
plus aigu en raison de la valeur élevée du coefficient de répar-
tition de Al dans ce système. La teneur en Al de la couche active provoque un déplacement du pic de luminescence vers les longueurs d'onde plus courtes. Ces problèmes sont résolus à l'aide d'un mode de réalisation préféré suivant l'invention
qui se caractérise en ce qu'une autre couche est interposée en-
tre la matière luminescente et l'une des matières environnantes ayant une faible absorption pour la lumière d'excitation et pour la lumière de luminescence. Le revêtement en la masse fondue contenant de l'aluminium donne à cette couche une bande
interdite qui est supérieure à celle de la matière luminescente.
Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre
d'exemple
les figures 1 et 2 représentent des structures consis-
tant en couches de matière semiconductrice dans lesquelles se
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produit une absorption et une recombinaison et qui sont entou-
rées par une matière ayant une faible absorption pour les lon-
gueurs d'onde d'excitation et pour les longueurs d'onde de lumi-
nescence. La figure 3 représente la structure en AlxGax lAs. La figure 4 est un schéma du niveau d'énergie pour un système dans lequel la constante de temps pour la luminescence et le rendement quantique de la matière peuvent être commandés et modifiés dans de grandes limites. La formation de lumière
résulte de la recombinaison bande-bande.
La figure 5 illustre des recombinaisons bande-bande.
La figure 6 représente la variation du rendement quan-
tique en fonction de la concentration en accepteurs.
La figure 7 représente la variation de l'intensité
émise en fonction de l'énergie photonique.
La figure 8 illustre la variation des paramètres carac-
téristiques du spectre de luminescence en fonction du dopage.
La figure 9 illustre l'ordre de croissance des couches.
La figure 10 représente une structure à quatre couches suivant le mode de réalisation préféré, et la figure il illustre ce mode de réalisation plus en détail. La figure l représente une structure consistant en une
matière semiconductrice, dans laquelle s'effectue une absorp-
tion et une recombinaison, qui est entourée d'une matière ayant une faible absorption pour les longueurs d'onde d'excitation et pour les longueurs d'onde de luminescence. La matière qui entoure la couche active a avantageusement un paramètre de réseau qui coïncide, aussi étroitement que possible, avec celui de la couche active. Ceci limite la recombinaison aux surfaces limites entre les matières différentes. Les figures 1 et 2 représentent les diverses bandes interdites EglEg2Eg3i, tandis que d représente l'épaisseur de la couche active. X est
un facteur de longueur.
La figure 3 représente la structure en AlxGax1.As, x
prenant des valeurs différentes:dans les diverses couches.
D'autres systèmes convenables sont GaAsxPî xl InxGaî xAs P1 y et d' autres s4eiconducteurs tertiaires et quaternaires, III-V. La radrxe 12 désigne un substrat en GaAs, tandis que d représente toujours 1' 6paisseur
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de la couche active.
En utilisant cette structure, on peut obtenir aussi un rendement de luminescence élevé avec des concentrations de dopage relativement faibles (s'abaissant jusqu'à 10 5 à l 16 cm3 pour, par exemple, GaAs:Ge). Ceci est d'une grande impor- tance pour la fabrication de transducteurs à luminescence
reproductibles dans des systèmes o on utilise l'analyse spec-
trale. Par le dopage de la couche active, partiellement à
l'aide de substances dopées qui donnent des niveaux bas d'éner-
gie et partiellement à l'aide de substances dopées qui donnent de faibles niveaux d'interférence (centresde recombinaison), on peut se rendre maître et modifier dans de larges limites la constante de temps de la luminescence et le rendement quantique de la matière, comme cela sera montré ci-dessous. De même, sans dopage délibéré avec des-centres de recombinaison, la constante de temps sera fonction de la température, puisque la constante
B est fonction de la température.
La figure 4 représente le diagramme du niveau d'éner-
gie pour un système du type mentionné ci-dessus. Si l'on négli-
ge la réabsorption de la luminescence et la recombinaison aux surfaces limites, la constante de temps T pour la luminescence peut être exprimée par la formule
C P + B P
t n T La bande de conduction est représentée en 120 et la
bande de valence en 130.
(On fait l'hypothèse à cet égard que d<"Ln, ce qui
peut être réalisé facilement, par exemple à l'aide de GaAs).
A cet égard: L est la longueur de diffusion des électrons dans la n couche active (figure 3); P est le nombre de niveaux sans bruit; T
Cn est le coefficient de recombinaison pour les élec-
trons (au niveau de bruit); B est le coefficient de recombinaison électrons-trous;
pn est le nombre de trous dans la bande de valence.
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Dans une matière de type P on a
PT NTT
NTT étant la concentration totale de niveaux de bruit. Les paramètres Cn et B sont mesurés pour de nombreuses
matières semiconductrices et sont donnés dans la littérature.
Pour GaAs, par exemple, on a la relation suivante pour Fe, Cr (T 2500K)
-E
-A K.T a = C.e n "
dans laquelle EA = 0,25 eV. (K est la constante de Boltzmann).
Une autre possibilité est le bombardement électronique de la matière et, à cet égard, on a mentionné la formation de
centres de recombinaison ayant des sections efficaces de captu-
re qui dépendent de la température d'une manière exceptionnelle.
Dans la matière illustrée à la figure 5, la lumière
émise est engendrée par des recombinaisons bande-bande. Le nom-
bre des processus de recombinaison par unité de temps pendant
laquelle de la lumière est émise est proportionnel à la concentra-
tion en porteurs majoritaires, c'est-à-dire quedans le cas de semiconducteurs de typePilest proportionnel à la concentration NA d'accepteurs. Comme ces processus de recombinaison radiatifs entrent en compétition avec des processus de recombinaison, pour lesquels l'énergie en excès des porteurs de charge n'est pas émise sous la forme de lumière (processus "non radiatifs") le rendement quantique n de la matière dépend de NA (voir figure
6). L'allure détaillée de la courbe est déterminée par les pro-
cessus de recombinaison "non radiatifs".
L'aspect du spectre émis est caractérisé par la valeur maximale hv0 et par la largeur totale à mi-hauteur <b (figure 7). Ces grandeurs dépendent du dopage NA à la manière indiquée à la figure 8. A la figure 6, l'axe des y représente l'intensité émise, tandis que l'axe des x représente l'énergie photonique,
le maximum de la courbe étant obtenu à hv.
La courbe de la figure 8 s'applique à la plupart des
substances dopées et des matières semiconductrices. Ceci signi-
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fie que la concentration NA de dopage doit avoir une faible valeur afin de faciliter la fabrication des matières formant le détecteur ayant un spectre de luminescence reproductible. Mais une faible concentration de dopage entraîne un faible rendement quantique dans des matières homogènes, ou dans des structures
à couche unique, en raison des recombinaisons superficielles.
Mais en utilisant des structures à trois couches (figu-
re 10), la recombinaison aux surfaces limites de la couche
luminescente active peut être réduite considérablement en compa-
raison de ce que l'on obtient avec des structures à couche unique ou de ce que l'on obtient avec des matières homogènes,
ce qui rend possible de réaliser des structures ayant un rende-
ment quantique élevé, mais ayant une faible valeur de dopage NA.
Ces structures procurent aussi d'autres avantages techniques
qui ont été passés en revue ci-dessus.
La figure 9 illustre la manière dont,
après la croissance de la couche 10,en AlXGa 1-xAs la plus pro-
che du substrat, on enlève la masse fondue du substrat et là manière dont une nouvelle masse fondue ne contenant pas d'Al est déposée sur le substrat, la croissance de la couche active démarrant ensuite. A cet égard, la partie de la première masse fondue peut rester sur le substrat, ce qui signifie que la couche active contiendra de l'aluminium. Le problème est rendu plus aigu en raison de la valeur élevée du coefficient de répartition de Al dans ce système. La teneur en aluminium de la couche active provoque un déplacement du pic de luminescence vers les longueurs d'onde plus courtes. La couche active est représentée en Il et la bande interdite est représentée en E. Le problème passé en revue ci-dessus, concernant le revêtement en aluminium pendant la croissance peut être résolu en utilisant une structure à quatre couches suivant la figure , qui est utilisée dans le mode de réalisation préféré décrit ci-dessus. Après la première couche en Al.GalxAs, on fait croître une couche supplémentaire 20 à la figure 10. On
fait croître la couche 20 à partir d>une masse fondue de GaAs.
En raison du revêtement d'aluminium, la couche aura la compo-
sition AlyGa YAs, et aura ainsi une bande interdite supérieure à celle de GaAs. Après cela, on fait croître une autre couche , à partir d'une masse fondue de GaAs. La teneur en aluminium
9 249120
de cette couche est négligeable. Si alors on donne au dopage de la couche 30 une valeur plus élevée qu'au dopage de la couche
et si, en outre, la couche 30 est bien plus épaisse, la par-
tie principale de la luminescence proviendra de recombinaisons "radiatives" dans la couche 30, en dépit du fait que les por- teurs de charge minoritaires engendrés sont "enfermés" entre des couches 10 et 40, en raison des bandes interdites bien plus élevées dans celles-ci. La situation est illustrée en outre à la figure 11. La structure suivant la figure 10 contient une
autre surface limite sur laquelle peut s'effectuer une recombi-
naison "non radiative". Mais comme y est petit, la vitesse de
recombinaison à cette surface est négligeable.
La bande de conduction est représentée en 120 et la bande de valence en 130. La couche luminescente est désignée par la référence 14 et des couches dans lesquelles les porteurs de
charge minoritaires sont enfermés sont désignées par la référen-
ce 15. Les diverses couches 40, 30, 20 et 10 sont indiquées au
sommet de la figure. Des structures suivant la figure 10 per-
mettent de fabriquer des détecteurs de photoluminescence à
spectre reproductible.
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Claims (12)
1. Elément de détection par voie optique en une matière cristalline afin de détecter des grandeurs physiques, telles que la température et la pression, qui est excité optiquement et qui émet de la photoluminescence, laquelle est une mesure de
la grandeur à mesurer, caractérisé en ce que la matière lumines-
cente incluse dans le détecteur est entourée d'une matière ayant une faible absorption pour la lumière d'excitation et pour la lumière de luminescence, et le paramètre de réseau de la matière dCntzrage coïncide étroitement avec celui de
la couche luminescente.
2. Elément suivant la revendication 1, caractérisé en
ce que la matière (2) luminescente comprend un semiconducteur.
3. Elément suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'une des couches d'entourage semiconductrices, ou les
deux couches d'entourage semiconductrices, ont des bandes in-
terdites (Eg1, Eg3) plus grandes que la couche (Eg2) lumines-
cente centrale semiconductrice.
4. Elément suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les trois couches semiconductrices mentionnées ont le
même type de porteursde charge majoritaires.
5. Elément suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les couches semiconductrices sont en GaAsxPl x,
InxGal XPly et/ou en d'autres semiconducteurs III-V tertiai-
res ou quaternaires, x et y variant de couche à couche pour
obtenir les relations souhaitées de bandes interdites.
6. Elément suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la couche semiconductricequi est luminescente pour la
mesureest dopée par des substances telles que Si, Mg et Ge.
7. Elément suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la couche semiconductrice luminescente est dopée par des substances qui donnent des niveaux d'énergie bas, ainsi que
par des substances qui donnent des niveaux de bruit bas.dénom-
mées centres ou pièges de recombinaison.
8. Elément suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est associé à au moins une extrémité de fibre, et cette extrémité de fibre le relie optiquement à un équipement
optique pour l'analyse de la luminescence.
9. Elément suivant la revendication 8, caractérisé en il 249120O ce que l'équipement optique est destiné è mesurer le spectre de luminescence et/ou les propriétés dynamiques de luminescence
de l'élément.
10. Elément suivant l'une des revendications précéden-
tes, caractérisé en ce qu'au moins une couche (20) supplémen- taire est interposée entre la matière (30) luminescente et l'une des matières d'entourage ayant une faible absorption pour la lumière d'excitation et pour la lumière luminescente, cette couche (20) étant moins dopée et/ou ayant une plus grande
épaisseur que la couche (30) luminescente.
11. Elément suivant la revendication 10, caractérisé en ce que l'autre couche est obtenue par croissance d'une masse
fondue de GaAs et se trouve après une couche en AlxGa 1x As.
12. Elément suivant la revendication l, caractérisé en ce que la couche luminescente est obtenue par croissance d'une masse fondue en GaAs et reçoit un dopage ayant une valeur plus
élevée que l'autre couche et est aussi nettement plus épaisse.
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